民用建筑消防用防火與耐火電纜選型優(yōu)化分析

李 廣 杰

(新亞特電纜股份有限公司, 安徽 蕪湖 241003)

0 引 言

據(jù)權(quán)威部門統(tǒng)計(jì),我國(guó)火災(zāi)事故中,電氣火災(zāi)占比達(dá)33%,而電氣線路(電線電纜)火災(zāi)占電氣火災(zāi)的60%。在各類電氣火災(zāi)事故中,歸其原因主要由于未考慮現(xiàn)代社會(huì)用電負(fù)荷的快速增長(zhǎng)因素,造成電纜線路超載,電纜線路敷設(shè)不規(guī)范或敷設(shè)時(shí)造成電纜絕緣機(jī)械損傷,長(zhǎng)期使用過(guò)程中絕緣短路或擊穿等;以及非電纜線路原因,如電氣設(shè)備選擇和安裝不合理,導(dǎo)體與用電設(shè)備接頭處接觸不良產(chǎn)生打火或接觸電阻增大產(chǎn)生高溫引燃附近非金屬箱蓋或其他易燃物等。電線電纜引發(fā)的火災(zāi)事故觸目驚心,關(guān)注電線電纜的防火耐火特性及在消防領(lǐng)域的應(yīng)用,具有非常重要的社會(huì)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

以往關(guān)注最多的是防火耐火電纜是如何設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)檢測(cè),很少在電纜與消防電氣設(shè)備設(shè)施和消防場(chǎng)所之間的連接與應(yīng)用上面下功夫。場(chǎng)所和消防電氣設(shè)備選用哪一類防火耐火電纜,雖然相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中有規(guī)定,但比較籠統(tǒng),本文著眼火災(zāi)危險(xiǎn)性、建筑耐火極限、消防電氣設(shè)備在火災(zāi)時(shí)需要的持續(xù)供電時(shí)間展開探討,對(duì)電纜的選型進(jìn)行分析。

1 防火耐火電纜介紹

按照火災(zāi)危險(xiǎn)性分類,含有非金屬材料的電線電纜屬于丙類危險(xiǎn)性物質(zhì),所以電線電纜是可燃的,從阻燃特性來(lái)看,分為B1級(jí)阻燃、B2級(jí)阻燃。對(duì)于防火耐火電纜,從定義來(lái)看,防火與耐火電纜是有差異的:

防火:“防”的本義指事先阻止發(fā)生,防火應(yīng)理解為本身具有防止燃燒的能力,在消防領(lǐng)域,此類電纜燃燒性能等級(jí)為A級(jí),屬不燃電纜,如BTTZ、BTTQ、RTTZ等。

耐火:“耐”釋義為承受得住,經(jīng)受得起,在GB/T 19666—2019《阻燃和耐火電纜或光纜 通則》中,耐火被定義為“試樣在規(guī)定火源和時(shí)間下被燃燒時(shí)能持續(xù)地在指定條件下運(yùn)行的特性[1]”,電纜具有保持線路完整性的能力,火災(zāi)時(shí)電纜能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)有效運(yùn)行一定時(shí)間,此類電纜較多,有代表性的如BTLY、BBTRZ等。

目前,國(guó)內(nèi)主流防火耐火電纜結(jié)構(gòu)分為以下幾類。

1.1 氧化鎂礦物絕緣電纜

采用氧化鎂作為絕緣材料,銅管作為護(hù)套的電纜,國(guó)際上稱為MI電纜,代表型號(hào)為BTTZ、BTTQ,執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 13033.1—2007《額定電壓750 V及以下礦物絕緣電纜及終端第1部分:電纜》。采用的工藝包括氧化鎂灌注、銅管拉拔,氧化鎂全自動(dòng)灌裝-焊接等,根據(jù)工程需要可在銅護(hù)套外擠包非金屬外護(hù)套。氧化鎂礦物絕緣電纜結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2 云母帶礦物絕緣波紋銅護(hù)套電纜

采用合成云母帶或煅燒云母帶為繞包絕緣的軋紋銅護(hù)套電纜,代表型號(hào)為RTTZ和YTTW,執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 34926—2017《額定電壓0.6/1 kV及以下云母帶礦物絕緣波紋銅護(hù)套電纜及終端》和JG/T 313—2014《額定電壓0.6/1 kV及以下金屬護(hù)套無(wú)機(jī)礦物絕緣電纜及終端》。采用的工藝包括氬弧焊焊接、軋紋,有需要時(shí)電纜金屬護(hù)套外可擠包一層非金屬外護(hù)套。云母帶礦物絕緣波紋銅護(hù)套電纜結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 云母帶礦物絕緣波紋銅護(hù)套電纜結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 執(zhí)行企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的“柔性”耐火電纜

此類電纜的結(jié)構(gòu)類型多而雜,常見(jiàn)的絕緣結(jié)構(gòu)為云母帶繞包和擠包非金屬絕緣層復(fù)合結(jié)構(gòu),隔氧層采用隔氧泥擠包、陶瓷化硅橡膠擠包或陶瓷化硅橡膠帶繞包結(jié)構(gòu),金屬護(hù)套以氬弧焊皺紋鋁或鋁帶連鎖鎧裝結(jié)構(gòu)為主,外護(hù)套通常為擠包的橙色無(wú)鹵低煙阻燃聚烯烴材料。執(zhí)行企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的“柔性”耐火電纜結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 執(zhí)行企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的“柔性”耐火電纜結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 常規(guī)云母帶耐火電纜

此類耐火電纜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,較為常見(jiàn),耐火層由繞包在銅導(dǎo)體外的云母帶構(gòu)成,其型號(hào)和技術(shù)要求在GB/T 19666—2019中均有規(guī)定。常規(guī)云母帶耐火電纜結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 常規(guī)云母帶耐火電纜結(jié)構(gòu)示意圖

耐火電纜的試驗(yàn)方法如表1所示。

表1 耐火試驗(yàn)方法對(duì)比

2 與火災(zāi)延續(xù)時(shí)間有關(guān)的規(guī)定

從被動(dòng)防火角度看,消防規(guī)范中規(guī)定了建筑不同場(chǎng)所的火災(zāi)延續(xù)時(shí)間,在沒(méi)有主動(dòng)滅火的情況下,這是不同建筑本身能滿足的耐火極限時(shí)間,民用建筑不同場(chǎng)所的火災(zāi)延續(xù)時(shí)間匯總?cè)绫?所示。從表2可以看出,火災(zāi)延續(xù)時(shí)間3.0 h的場(chǎng)所,可采用防火耐火時(shí)間為180 min的電纜;火災(zāi)延續(xù)時(shí)間2.0 h的場(chǎng)所,可采用防火耐火時(shí)間為120 min的電纜;火災(zāi)延續(xù)時(shí)間1.0 h的場(chǎng)所,可采用防火耐火時(shí)間為90 min的電纜。

表2 民用建筑不同場(chǎng)所的火災(zāi)延續(xù)時(shí)間匯總[5]

從主動(dòng)滅火角度看,發(fā)生火災(zāi)后各類消防電氣設(shè)備開始工作。消防用電設(shè)備在火災(zāi)發(fā)生期間的最少持續(xù)供電時(shí)間[6]如表3所示。消防用電設(shè)備在火災(zāi)時(shí)持續(xù)一段時(shí)間可靠工作是應(yīng)急供配電系統(tǒng)的重要職責(zé),防火耐火的目標(biāo)就是各類消防用電設(shè)備在火災(zāi)發(fā)生期間,最少持續(xù)供電時(shí)間應(yīng)符合表3的規(guī)定。表3中規(guī)定的持續(xù)供電時(shí)間是最低要求,也是對(duì)應(yīng)急供配電系統(tǒng)的整體要求,且不是只對(duì)電纜的要求,電纜在火災(zāi)時(shí)要繼續(xù)承擔(dān)載流的職責(zé)。隨著相關(guān)規(guī)范的不斷完善,表3中的數(shù)據(jù)也會(huì)做出相應(yīng)調(diào)整。

表3 消防用電設(shè)備在火災(zāi)發(fā)生期間的最少持續(xù)供電時(shí)間[6]

就消防設(shè)備線路而言,能否達(dá)到3 h以上的防火耐火能力,除電線電纜因素外,還有電纜接頭、終端以及電纜橋架、槽盒、支架、吊桿等因素,從系統(tǒng)角度來(lái)看,防火耐火不單是電線電纜的職責(zé),還要看線路其他設(shè)備的防火耐火能力。疏散照明最少持續(xù)供電時(shí)間[6]如表4所示。

表4 疏散照明最少持續(xù)供電時(shí)間[6]

3 防火耐火電纜的選擇

從火災(zāi)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看,88%的火災(zāi)可在1.5 h之內(nèi)撲滅,80%的火災(zāi)可在1 h之內(nèi)撲滅,再結(jié)合表2、表3和表4中所表述的時(shí)間關(guān)系,選擇電纜時(shí)應(yīng)根據(jù)消防場(chǎng)所、消防電氣設(shè)備有所側(cè)重。由于不同場(chǎng)所及場(chǎng)所中所存儲(chǔ)物品火災(zāi)危險(xiǎn)性不同,造成火災(zāi)時(shí)熱釋放速率及熱釋放總量各有差異,建筑耐火完整性時(shí)間是支撐建筑最終倒塌時(shí)間的參考,電纜選擇時(shí)應(yīng)結(jié)合這些因素綜合評(píng)定,以科學(xué)選擇、確定導(dǎo)體的截面積和耐火電纜的耐火等級(jí)等。

火災(zāi)時(shí),可燃物快速燃燒并產(chǎn)生大量的熱,這些熱量會(huì)對(duì)電纜本體進(jìn)行直接傳遞和輻射傳遞,使得電纜導(dǎo)體溫度同步且迅速升高,導(dǎo)體電阻呈指數(shù)增大,形成電-熱耦合場(chǎng)[7],當(dāng)導(dǎo)體溫度升高到800 ℃至1 000 ℃時(shí),導(dǎo)體電阻約增大3到5倍,電壓降也約為正常時(shí)的3到5倍,此時(shí)仍應(yīng)保證電氣系統(tǒng)正常工作,電纜選型時(shí),需按此條件校驗(yàn)電壓損失,電壓損失超標(biāo)準(zhǔn)可能會(huì)導(dǎo)致消防用電設(shè)備無(wú)法起動(dòng),火災(zāi)工況下導(dǎo)體溫升和電壓降曲線如圖5所示。對(duì)于防排煙設(shè)備、消防泵和消防電梯等需要較高電壓和較大電流方能正常起動(dòng)的重要消防設(shè)備來(lái)講尤為重要。

圖5 火災(zāi)工況下導(dǎo)體溫升和電壓降曲線

需耐火+防水+防沖擊及防重物墜落損傷時(shí),明敷電纜應(yīng)采用礦物型防火電纜。

對(duì)于地鐵、大型體驗(yàn)場(chǎng)館等有鼠蟻活動(dòng)的場(chǎng)所,金屬銅護(hù)套防火電纜應(yīng)在選型中得到考慮,使電纜具備一定的防鼠蟻功能。

一、二類建筑消防負(fù)荷的干線,一些在火災(zāi)時(shí)執(zhí)行重要功能的消防設(shè)施的電源及控制線路,宜采用礦物絕緣型電纜。若采用有機(jī)型耐火電纜明敷,應(yīng)采用耐火電纜槽盒或穿管保護(hù),同時(shí)盒/管表面涂防火涂料。需要明確指出的是,這些重要的用電設(shè)備設(shè)施包括執(zhí)行滅火功能的消防噴淋泵,以及那些輔助滅火和逃生的消防電梯、防排煙風(fēng)機(jī)等。

在GB 50116—2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中明確規(guī)定了火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的供電線路、消防聯(lián)動(dòng)控制線路,報(bào)警總線、消防應(yīng)急廣播和消防專用電話等傳輸線路應(yīng)選擇的電纜類型?；馂?zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)傳輸線路的線芯截面選擇,除應(yīng)滿足自動(dòng)報(bào)警裝置技術(shù)條件的要求外,還應(yīng)滿足機(jī)械強(qiáng)度的要求。銅芯絕緣導(dǎo)線和銅芯電纜線芯的最小截面面積,不應(yīng)小于表5的規(guī)定。銅芯絕緣導(dǎo)線和銅芯電纜線芯的最小截面面積如表5所示。

表5 銅芯絕緣導(dǎo)線和銅芯電纜線芯的最小截面面積

消防火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)用線纜應(yīng)用舉例,消防火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)用線纜如表6所示。

表6 消防火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)用線纜

2)24 V電源線的截面積,應(yīng)根據(jù)具體負(fù)載電流、導(dǎo)線長(zhǎng)度及被控設(shè)備最低工作電壓的要求來(lái)選取。在實(shí)際工程中,防火閥、排煙閥等電磁閥類設(shè)備的工作電流比較大,對(duì)于由不同輸入/輸出模塊控制的設(shè)備,可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)順序延時(shí)啟動(dòng),以避免峰值電流沖擊。若一只輸入/輸出模塊控制的電磁閥比較多或電流很大,應(yīng)選擇截面積更大的導(dǎo)線?？扇?xì)馓綔y(cè)器工作電流較大,24 V電源線銅導(dǎo)體截面積應(yīng)足夠大,必要時(shí)采取多路電源線或采取分布供電。

3)火災(zāi)之初執(zhí)行疏散指示標(biāo)志、應(yīng)急照明、消防通訊等功能的線路采用ZR-RVS型電線。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜合來(lái)看,對(duì)于在火災(zāi)時(shí)需要啟動(dòng)大功率消防設(shè)施的線路應(yīng)考慮采用防火電纜,執(zhí)行信號(hào)傳輸、聯(lián)動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò)與通訊、廣播與電話等功能的,可采用云母帶型耐火電纜或具有阻燃自熄功能的電線。

對(duì)于高層與超高層建筑,由于有效的建筑面積非常寶貴,電纜井空間十分有限,所以我們不僅要關(guān)注防火耐火電纜的設(shè)計(jì)、制造和質(zhì)量,還要更多的關(guān)注它的應(yīng)用,盡量減小電纜的外徑,減少電纜占用電纜井的空間,減小電纜的熱釋放速率和熱釋放總量,以期更好的服務(wù)于建筑消防。

防火耐火電纜的選型要根據(jù)消防電氣設(shè)備所需載流量、設(shè)備啟動(dòng)電壓及信號(hào)傳輸防干擾等各類因素綜合考慮,選擇此類電纜是人命關(guān)天的事,需要慎之又慎。

此外,有些工程為節(jié)約電纜成本,在需要耐火電纜的場(chǎng)所使用非耐火電纜,通過(guò)在非耐火電纜或電纜槽盒/橋架上涂敷防火涂料來(lái)增加其耐火性能延長(zhǎng)耐火時(shí)間,殊不知,要使電纜達(dá)到3.0 h的耐火時(shí)間,需采用厚涂型的防火涂料涂敷,涂層厚度達(dá)50 mm,是橋架板材厚度的數(shù)倍、甚至十幾倍。因此,采用防火涂料增加電纜的耐火極限是不現(xiàn)實(shí)的。最安全、最負(fù)責(zé)任的做法是選用防火耐火電纜,來(lái)保證消防電氣設(shè)備線路的運(yùn)行有效性。